楊金順

（中國平煤神馬集團開封東大化工有限公司，河南開封475003）

隨著中國氯堿工業(yè)近十年的高速發(fā)展，尤其是離子膜法燒堿逐步取代隔膜法燒堿，透平式氯氣壓縮機得到快速普及而逐步取代液環(huán)式壓縮機。杭州陽光集團求是透平機制造有限公司生產(chǎn)的透平式氯氣壓縮機，其規(guī)格由3萬t/a到15萬t/a，大多運行情況良好，其中，有眾多的連續(xù)穩(wěn)定運行數(shù)年的企業(yè)及機組，但也有個別企業(yè)、個別臺位、個別時段多次出現(xiàn)高速轉(zhuǎn)子損壞的例子。為了查清原因，杭州陽光集團曾出資請浙江工業(yè)大學(xué)強度工程及軟件研究所等單位對透平機高速轉(zhuǎn)子進(jìn)行破壞性試驗，并結(jié)合多年售后服務(wù)維修實踐經(jīng)驗，總結(jié)分析事故原因，提出了改進(jìn)措施并實施，大部分問題得到了較為滿意的解決。

1 軸承瓦塊損壞的原因

對于有5塊瓦塊且最下瓦塊居中的軸承，磨損一般多發(fā)生在正下方瓦塊及其軸轉(zhuǎn)動方向的后一個瓦塊，嚴(yán)重的損壞會導(dǎo)致瓦塊巴氏合金熔融、裂紋或碎裂。

1.1 頻繁啟動與停車

透平式氯氣壓縮機屬高速旋轉(zhuǎn)機械，其高速轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速大多為2萬r/min左右。在設(shè)計時，選用了可傾瓦塊軸承，該軸承屬多油楔動壓軸承，其原理是在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時，軸徑與瓦塊之間形成具有一定剛度和承載能力的油膜，從而使轉(zhuǎn)子在完全潤滑狀態(tài)下工作。在靜止?fàn)顟B(tài)下啟動或停車時，瓦塊會有一定的磨損，故透平式氯壓機不適宜頻繁地啟動或停車。

1.2 潤滑油質(zhì)量低

潤滑油質(zhì)量包括潤滑油本身的技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)及潤滑油品種的適用性。前者主要是黏度、黏度指數(shù)、酸度、抗乳化度、抗氧化性、水份、機械雜質(zhì)；后者主要是種類、牌號。

油品的黏度隨牌號增加而增加。一般來說，低黏度油品適用于高速輕載，高黏度油品適用于低速重載。牌號小的油品，其黏度低、內(nèi)摩擦小、導(dǎo)熱性好，故在可以實現(xiàn)完全潤滑的前提下，應(yīng)選用牌號小的油品。如低黏度油品在一定工況下使用中發(fā)現(xiàn)不能實現(xiàn)完全潤滑，就應(yīng)當(dāng)試用黏度高一級的油品。

油品的黏度指數(shù)反映油品黏度隨溫度變化的趨勢，酸度、水分對該指標(biāo)都有影響。

機械雜質(zhì)對油膜的形成不利，從而影響軸承的承載能力。

1.3 高速轉(zhuǎn)子的機械振動

有文獻(xiàn)認(rèn)為，油膜自激振蕩是透平機高速轉(zhuǎn)子振動的主要原因。但這些文獻(xiàn)往往忽略的是，可傾瓦塊軸承因隨轉(zhuǎn)速和載荷的變化，瓦塊可自動調(diào)整傾斜度，從而形成合適且相對穩(wěn)定的瓦塊進(jìn)油側(cè)間隙和出油側(cè)間隙的間隙比h1/h2（見圖1）。故極少發(fā)生油膜自激振蕩。高速轉(zhuǎn)子振動超標(biāo)主要有以下原因。

圖1 瓦塊布置和油膜力

（1）葉輪結(jié)垢。有的企業(yè)氯氣干燥除霧效果不好，達(dá)不到150 mg/m3的這些雜質(zhì)及其管道腐蝕生成物在葉輪流道尤其在葉片的吸力面形成積垢，如垢體松脫或不均勻，葉輪動平衡就會失效導(dǎo)致振動。

（2）葉輪腐蝕。氯氣中酸、水超標(biāo)，會對葉輪形成沖刷和腐蝕的雙重作用，導(dǎo)致葉輪動平衡失效，產(chǎn)生振動。

（3）轉(zhuǎn)子充氣密封段腐蝕。如密封氣帶水、帶油，會對梳齒套造成腐蝕從而影響動平衡并導(dǎo)致振動。

（4）操作不當(dāng)。當(dāng)進(jìn)出口閥門調(diào)節(jié)不當(dāng)，自動回流不靈，后系統(tǒng)用戶用量減少，會造成氯壓機進(jìn)口壓力過低，出口壓力過高，當(dāng)其壓縮比（即透平機排氣與進(jìn)氣的絕對壓力之比）超過允許值時，就會發(fā)生“喘振”。

（5）主電機與低速軸承對中不良。當(dāng)主電機與低速軸對中不良時，除其本身會振動超標(biāo)易磨損外，低速齒輪還會對高速齒輪產(chǎn)生額外載荷，加快高速軸承瓦塊磨損。

1.4 機組負(fù)荷相對過載

從發(fā)生問題的氯壓機組運行的表面狀況看，這一問題似乎不存在，但從運行條件綜合分析則未必。

由于設(shè)備臺位不同，并聯(lián)運行時條件未必相同，閥桿松動引起的開度不同，都可能引起個別設(shè)備偏載。透平式氯壓機在設(shè)計時，都假設(shè)有一定條件，并選擇效率最高時的工況點作為設(shè)計工況點，設(shè)備應(yīng)在此工況點附近運行。但當(dāng)實際運行工況偏離設(shè)計工況較多時，則應(yīng)視作過載。例如，某企業(yè)氯氣透平機經(jīng)常損壞，從電機電流、排氣壓力、進(jìn)氣壓力等情況看不出有任何超載現(xiàn)象，但經(jīng)設(shè)備生產(chǎn)廠家檢查發(fā)現(xiàn)，由于透平機進(jìn)氣測壓點裝在進(jìn)氣閥門之前，不能真實反映透平機的進(jìn)氣壓力，致使壓縮比超過設(shè)計值，在調(diào)大進(jìn)氣閥開度后，運行轉(zhuǎn)入正常。

（1）排氣壓力過高。進(jìn)氣條件一定時，排氣壓力超過一定值即應(yīng)視為過高，這一值可從實際壓縮比與設(shè)計壓縮比相比較而得。

（2）進(jìn)氣壓力過低。排氣條件一定時，進(jìn)氣壓力低于一定值即應(yīng)視為過低，判斷方法同上。

（3）進(jìn)氣溫度過高。壓縮機所能達(dá)到的進(jìn)排氣壓力增加值與進(jìn)氣密度成正比，而進(jìn)氣密度與進(jìn)氣絕對溫度成反比。對于多級壓縮，后級進(jìn)氣溫度高，意味著級間冷卻不好，前級排氣壓力升高，壓縮比升高。

（4）氯氣純度過低。氯氣分子量為71，空氣平均分子量為29，氯氣系統(tǒng)泵前（即氯壓機前）為負(fù)壓輸送，其中含有極少量氫氣，并會混入部分空氣，而氯氣純度降低就意味著密度降低，葉輪產(chǎn)生壓力的能力就降低，如按正常壓力操作，就可能發(fā)生“喘振”。例如，某企業(yè)選用的透平式氯壓機設(shè)計進(jìn)氣壓力為0.09 MPa（A），排氣壓力為 0.36 MPa（A），氯氣純度為96%，但在車開車時，排氣壓力為0.26 MPa（A）時，即發(fā)生 “喘振”。經(jīng)現(xiàn)場查看，進(jìn)氣壓力為0.075MPa（A），溫度為二十?dāng)z氏度左右，取樣分析，氯氣純度為60%，由于雜質(zhì)氣體含量高致使進(jìn)氣密度降低，而壓縮機允許運行的壓縮比會隨進(jìn)氣密度降低而降低。雖然，壓縮比為2.9，與設(shè)計值4.0尚有距離，但實際上已超過設(shè)備能力。

2 葉輪損壞原因

2.1 葉輪腐蝕

葉輪腐蝕有以下原因。

（1）氯氣質(zhì)量過低，其中的水、酸、雜質(zhì)物會產(chǎn)生腐蝕。

a.氯中含水。水在氯氣中能生成次氯酸和鹽酸，這二種物質(zhì)對鐵和不銹鋼都有很強的腐蝕性。如水是以霧滴狀存在，對葉輪還會有沖刷侵蝕作用。

b.氯中帶酸。如干燥除霧效果不好，干氯氣中攜帶的霧滴在葉輪葉片的壓力面會形成沖刷侵蝕，并在葉輪的吸力面和彎角處形成積垢。如氯中同時帶水超標(biāo)，對葉輪會有腐蝕。

c.氯中雜質(zhì)。氯中雜質(zhì)可能從干燥系統(tǒng)中來，也可能是氯中含水帶酸超標(biāo)對鋼管腐蝕后帶來，這些物質(zhì)組分復(fù)雜，對葉輪腐蝕機理亦較復(fù)雜，并易在葉輪上結(jié)垢。

（2）維修時保護(hù)不好。維修時保護(hù)不好或維修后干燥氮氣（或干燥空氣）置換不充分，導(dǎo)致空氣及水份混入氯氣管道和設(shè)備中使葉輪腐蝕。

2.2 葉輪“燒蝕”

（1）轉(zhuǎn)子振動或機組“喘振”可能引起葉輪與端密封和殼體發(fā)生摩擦，嚴(yán)重時，產(chǎn)生“氯火”燒蝕。典型的“氯火”燒蝕，可見到殘留部分色澤仍正?；蚓植靠舅{(lán)，而“燒蝕”部分的物質(zhì)則不知去向。

（2）軸承嚴(yán)重磨損與損壞時對軸失去約束力，導(dǎo)致葉輪與配合件摩擦發(fā)生“氯火”燒蝕。

（3）梳齒套損壞導(dǎo)致動平衡破壞，引起摩擦發(fā)生“氯火”燒蝕。

2.3 葉輪磨損與變形

當(dāng)各種原因引起轉(zhuǎn)子振動超標(biāo)或 “喘振”發(fā)生時，閉式葉輪表現(xiàn)為與配合件的摩擦造成磨損；半開式葉輪則表現(xiàn)為葉片與配合件的摩擦，對配合件的刮削，嚴(yán)重時，其自身發(fā)生彎曲變形。

3 梳齒套損壞的原因

梳齒套套裝在高速齒輪軸上，并有鉚釘固定，其與裝在齒輪箱上的氣封環(huán)形成無摩擦配合，組成迷宮密封，目前氣密封分為3段密封或4段密封，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。其中，3段密封沒有去次氯塔的廢氯管線。

能引起葉輪損壞的原因，大多也會同時引起梳齒套及氣封環(huán)的損壞。以下著重根據(jù)結(jié)構(gòu)原理分析密封氣、廢氯氣及回抽氣對迷宮密封的影響。

（1）密封氣質(zhì)量低。

目前，透平式氯壓機使用的密封氣為干燥氮氣或干燥空氣。

如密封氣含水量超標(biāo)，進(jìn)入迷宮密封會向葉輪方向流動，遇到氯氣即會對梳齒套造成腐蝕，使密封失效，或是引起轉(zhuǎn)子動平衡破壞，導(dǎo)致整個轉(zhuǎn)子及相配合件的損壞，還可能引起氯氣泄漏，污染壞境。更有甚者，使齒輪箱、油箱潤滑油氯化、燃燒變質(zhì)，生成黑色黏稠物質(zhì)，極難清洗干凈，導(dǎo)致潤滑油色澤變黑變紅，甚至導(dǎo)致齒輪箱及整個機頭損壞。

密封氣含油的問題很多人不相信，認(rèn)為干燥氣體經(jīng)過很多工序，不可能含油，但事實確實存在，如南方某廠的氯氣透平機采用氮氣密封，在經(jīng)空壓機、冷干機、制氮機、干燥器及多次除霧過濾后才送往各氮氣用戶，到氯壓機廠房又增加干燥過濾，而在進(jìn)氯壓機密封系統(tǒng)的管子里仍然檢查出很大油滴。此事例證明除油并非易事。

圖2 密封結(jié)構(gòu)示意圖

密封氣帶油進(jìn)入密封裝置后，無論是油滴還是油霧，會立即形成霧狀，而油霧遇到高濃度氯氣有可能立即燃燒，從而使梳齒套和氣封環(huán)變色、變質(zhì)甚至“燒蝕”。浙江工業(yè)大學(xué)強度工程及軟件研究所進(jìn)行的氯在油氣條件下對梳齒套的損壞試驗也證明了這一點，梳齒套損壞試驗見圖3。

圖3 梳齒套的損壞試驗情況

粒徑大的機械雜質(zhì)會使梳齒套摩擦損壞甚至發(fā)生“氯火”燒蝕。

密封氣壓力過低將起不到密封作用。

（2）未開密封氣或開量過小。

此時，等同于無密封氣或密封氣壓力過低，其危害視迷宮密封情況而定。如果迷宮密封效果不好，且氯氣回抽及廢氯抽吸效果不好，可能造成氯氣外泄。如近葉輪處的迷宮密封效果良好且氯氣回抽及廢氯抽吸效果良好時，則可能發(fā)生下列情況。

a.空氣由密封氣排放口被吸入，其中的水分遇氯會對梳齒套造成腐蝕。

b.油氣由密封氣排放口被吸入，遇氯反應(yīng)升溫，導(dǎo)致密封件變形摩擦，引起軸振，軸瓦溫升增高，甚至發(fā)生‘氯火’燒蝕。

c.由于氯氣回抽管是從后段迷宮密封通往一級進(jìn)氣口，該處有較高的負(fù)壓，如果廢氯抽吸管（通往除害塔或次氯吸收塔）的抽吸負(fù)壓較小，就可能使含有大量濕氣的廢氯從除害塔（或次氯塔）抽吸到氯氣回抽口，這不僅會對梳齒套的腐蝕，而且會對葉輪造成腐蝕。

（3）轉(zhuǎn)子的機械振動。

4 高速齒輪軸損壞原因

（1）透平式氯壓機常見的齒輪損壞形式是磨損、斷齒、退火等，大多發(fā)生在嚴(yán)重“喘振”，軸承嚴(yán)重?fù)p壞，齒輪箱“氯火”等極端情況下。

（2）當(dāng)軸承潤滑不良，轉(zhuǎn)子嚴(yán)重振動時，軸瓦可能過熱，嚴(yán)重時巴氏合金熔化甚至與軸徑膠合，或軸瓦基底與軸發(fā)生摩擦，都會使軸承處軸徑磨損失效。

（3）“氯火”燒蝕。大多發(fā)生在梳齒套及葉輪處，當(dāng)“氯火”嚴(yán)重?zé)g時，會傷及高速軸本身。

5 改進(jìn)措施

通過以上分析，為保證透平式氯壓機能夠長周期安全穩(wěn)定運行，建議在新建氯氣干燥裝置中，盡可能采用二級填料塔加一級泡罩塔，可以節(jié)約干燥用硫酸，也可以減少氯中含水量。在運行中，適當(dāng)降低氯氣離塔溫度，以利于后序除霧。在硫酸除霧器中，推薦采用孟山都或其他除霧效率高的濾芯，并保證適當(dāng)表面過濾氣速，減少硫酸及酸泥的夾帶。對于已建成裝置，盡可能依上述要求改造。不管采用何種方案，都必須將水含量控制在150×10-6以下。

在設(shè)備日常運行中，要盡量減少開停車次數(shù)，以減少軸承瓦塊不必要的磨損。

在密封用氣方面，不管采用氮氣還是干燥空氣，在保證露點為-40℃以下的同時，密切關(guān)注密封氣的含油量，建議在密封氣進(jìn)入透平機前增加除水、除油設(shè)施及過濾器。

在透平機操作中，要確保進(jìn)出口的壓縮比不超標(biāo)，并要根據(jù)氯氣純度適當(dāng)降低壓縮比，以免發(fā)生“喘振”。

對于潤滑油，在冬季可用黏度低的潤滑油，如32號油；在夏季，建議用黏度稍高的潤滑油，如46號油。由于各企業(yè)的地理位置不同、臺位不同、使用條件不同，在32號油運行狀況不滿意時，不妨試用46號油。不管用何種牌號的潤滑油，都要使用正品優(yōu)質(zhì)油。

由于設(shè)備存在“相對”過載現(xiàn)象，在設(shè)備選型時，建議適當(dāng)留有余地，但余地不宜過大。在實際運行中，建議摸索適應(yīng)該設(shè)備的運行條件。如出現(xiàn)“喘振”征兆，要立即開啟小回流。

要密切關(guān)注設(shè)備運行狀況，定期予以分析評估，當(dāng)設(shè)備運行異常時，應(yīng)及時檢查原因并排除，必要時按照設(shè)備操作規(guī)程及時停車檢查。建議不少于每年一次的定檢，根據(jù)情況予以維修保養(yǎng)，更換磨損超標(biāo)的零部件，以免個別零部件失效殃及其他部件和整機的正常運行。建議要專人維護(hù)設(shè)備，由專業(yè)人員檢修。

在設(shè)備檢修時，一定要注意拆解件及部位的保護(hù)，檢修后，要用合格氣體徹底置換。在停機待機過程中，不能停止干燥氣體的保護(hù)。

建議用戶及時反饋設(shè)備運行情況，與設(shè)備生產(chǎn)廠家共同努力將設(shè)備維修好、管理好、運行好。